计算机毕业论文试析基于x3d的虚拟植物建模和可视化探究.doc

XX大学毕业论文试析基于X3D的虚拟植物建模和可视化探究姓 名: 2014年6月25日试析基于X3D的虚拟植物建模和可视化探究本文在阐述X3D虚拟现实技术的基础上，介绍并分析了基于X3D虚拟植物 建模的关键技术和优势，进一步探索了基于X3D虚拟现实技术植物建模的原理 和方法，最后，针对国内外应用目前状况，提出了应用中出现的新问题，并为未 来的研究方向进行了展望1 X3D虚拟现实技术概述虚拟现 实(Virtual Reality)是20世 界80年代初由VPL Research公司创 始人Jaron Lanier提出的已广泛应用于科学研究和可视化、军事模拟、 工程应用、医学、商业、教育及娱乐等领域X3D虚拟现实技术是目前虚拟 现实技 术 中最前 沿 的科技，2004年10月正式通过ISO / IEC审议成为网络 三维国际通用标准ISO / IEC19775 o X3D虚拟现实技术整合了 XML、 JavaSeript、Java、Java3D和流技术等世界先进技术.具有更强大、更高效的三 维计算能力、渲染质量和传输速度它克服了以往其它虚拟现实语言存在兼 容性及可扩展性差、对浏览器的依靠过强、编程能力弱等缺点，将其应用于农业 信息领域，显示其巨大的发展潜力，前景十分广阔。

1. 1X3D虚拟现实技术的关键技术(l)XML编码X3D采用XML编码，使其具有通用性、易于页面集成、和下一代 Web融合等诸多优势.并引入了基于组件的结构.具有兼容性、可扩展性、轻 量化 的内核等特征XML编码为创建和XML兼容的VRML代码，提供了一 组XML通用实体和元素类型声明VRML200X规范草案包含一个完 整的DTD,它定义了 X3D的XML标记和这些标记功能实现之间的联系 而D0M为程序和脚本动态的访问和更新XML文档的内容、结构样式提供了 和平台、语言无关的接口2)构件思想X3D体系结构的设计是以构件技术为指导的，这里构件是指功能相关的 一个或多个节点类型的一个集合，一个构件扩展内核在某一特定领域的功 能X3D首先将VRML的关键特性封装为一个小型可扩展的内核然后 通过特性集扩展内核，实现复杂的或是应用程序定义的功能构件思想带来 的好处主要有摘要：精巧的内核、扩展能力、减少了对资源的占用1. 2 X3D虚拟现实技术的优势X3D被定义为可交互操作、可扩展、跨平台的网络三维内容标准X3D 中添加了新的功能组件，推出Java、XML通用平台下的开放原代码工具包，在 X3D中需要使用非凡的功能时，可以调用由Java等编写的程序，由于Java 平台无关性，这样可在不同的硬件和软件平台上实现浏览，拓宽了信息共享 范围。

在组件优化的结构下，X3D扩展新的功能将更快捷X3D的内容是模块 化的和可重复使用的，根据可扩展和模块化的结构，浏览器可以只需支持 需要 的概貌X3D支持也提供了一种MPEG — 4支持的方式X3D是MPEG 一 43D渲染的基础2基于X3D的植物建模和可视化基于X3D的虚拟植物建模和可视化是一种基 于x3d虚 拟现实技术， 植物形态结构几何描述的三维植物结构模拟方法该方法利用仪器采集 植物空问数据，在计算机上三维建模语言编程调用空间数据来实现植物三维 模拟和再现，模拟植物在 三维空问中的生长发育过程虚拟植物能够精确地 反映现实植物的形态结构，以可视化的方式反映植物的形态结构规律2. 1虚拟植物建模和可视化开发的基本原理要建立虚拟植物，首先要建立基本的三维植物结构模型一个完整的虚 拟植物实体对象一般包含叶、茎、花、根等几个主要结构部分以及一些相关 的辅助设施，这些基本模型的制作采用现有较成熟的三维设计软件 X3D—Edito虚拟植物除了能实现植物的三维可视化外，其另一个重要的功 能就是通过script编程、API编程或其它技术能实现虚拟植物专题信息的展示 和反馈甚至实现一定的分析功能.协助农业相关部门进行植物信息收集和反 馈。

这对植物的探究是极为有利的，为他们提供了极大的方便因而可以将虚拟 植物定义为以下形式摘要：虚拟植物=三维植物模型+专题信息展示功能+信息反馈功能+分析功能实 现步骤如图22. 2基于X3D植物形态结构模型的建立和可视化2.2. 1三维结构建模方法利用X3D创建虚拟植物，生成三维模型的方 法大致如下摘要：(1) 利用X3D节点直接编写程序对于植物都具有根、茎、叶三个主 要部分，叶子这种复杂的造型可以采用挤压节点一 Extrusion来实现具体 语句结构可参考有关文献但仅仅根据X3D语法构造准确的三维空间模型是很 困难的，对于复杂模型的构造和修改就比较不方便2) 除了使用节点直接编程之外，还要考虑使用其它辅助建模软件创建模 型由于一些结构和外形的复杂性，直接用X3D建模比较困难，可以利用第三 方的造型软件来建模.然后通过相应的接口导出X3D文件，最后编辑X3D源 程序的相关部分来实现通常的做法是，利用AutoCAD建立复杂模型后，假 如希望有更好的效果，可以输入到3DMAX中赋予材质、色彩建立光照效果、 合成，最后转成X3D文件，插入到虚拟环境中2. 2. 2交互编程方式在建模过程中.X3D中常用的编程方式主要有以 下二种摘要：⑴用X3D中的script节点编程。

script节点可以帮助X3D完成复杂的交 互过程.它有以下4个功能摘要：可感应环境的变化及用户的操作摘要：从其它 节点接收事件并进行一些处理；内部的程序块可完成一些计算工作；通过发送 事件使外界产生相应的变化Scrip节点可以像其它的X3D节点一样放置在场景 中的任何地方，可以重命名，可以从它那里移走事件，也可以把事件传给它这 是最常用的编程方法，目前用的较多的描述性语言是Javascript和VRMI_script 目前大多X3D浏览器都支持Javascript编程.而支持VRMLSeript编程的浏览器 主要是 BS Contact Player2)通过X3D的外部编程接口 API进行编程这种编程方式答应虚拟场景 和其它对象沟通，因而可以实现虚拟场景和其它对象的结合，达到令人满足的效 果3国内外X3D在项目中的应用目前状况、存在的新问题3. 1应用目前状况X3D技术在国内外已用很多应用成果.如美国海军探究生院fNPSl进行 曲 基于Web的场景创作及可视化探究 和开发 的项目SAVAGE Project.就是基于X3D技 术进行研发的，并取得了阶段性的成果.LATFICE Technology 利用 X3D 的扩展.Lattice XV1 parametric 进行医疗 方面的应用取得了令人欣喜的成果，还有一些已经投入应用的X3D技术，如 Blaxxun3D[61和Shout3Dl。

他们并不是采用plugins的方式.而只需要 Web 浏览器支持Java,就可以在用户端自动下载安装中国在X3D技术方面的发展 要落后于西方国家但是由于X3D有着神奇的效果、精简的代码和灵活的语法 结构，探究X3D技术的人越来越多3. 2存在的新问题对于基于X3D的虚拟植物的探究可以说现在仍处于初级阶段，存在着许 多技术和实践中的新问题1) 模型的功能不够强大多数模型在植物体结构和功能的联系、植物和 环境的相互关系、地上部分和地下部分的整体联系以及生理生态和形态结构的 耦合等方面欠完善假如将地上部分和地下部分整体联系起来，可能具有更大的 探究意义其次，植物种类繁多，植物生长机理复杂要想真实地虚拟植物的生长 过程还较困难网此除了对植物生长过程进行大量的观察和测量外还必须探究 虚拟植物模型和具体植物的生态生理模型有机结合的新问题2) 缺乏多学科知识的融合植物生长建模探究应该以综合各类信息技术为 途径，扩展并强化它在农林业中的广泛应用目前，虽然已经包括了综合应用 遥感(RS)技术、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、网络技术、传感 技术、自动控制、人工智能、多媒体等，但结合运用不够，没有为虚拟植物 建模探究带来更多新的思路和方法。

4基于X3D的虚拟植物探究前景展望基于X3D的虚拟植物探究对人类社会的影响才刚刚开始作为一种新 生事物，它的发展前景十分广阔，有许多值得进一步探索的探究课题由于植物生长机理和生长过程十分复杂.需要探究如何建立能真实反映 植物生长机理的生理生态模型（如光合功能模型及呼吸功能模型等）以及植物生 长环境模型如光照、土壤、水肥等模型）；在此基础上，为了能够真实有效地 模拟农作物的生长过程还需进一步探究形态发生模型和生理生态模 型的有机 结合以后，根系虚拟探究将成为重点目前植物根系的模拟是虚拟植物探 究中最为薄弱的环节由于根系是植物和外界环境进行物质和能量交换的重要媒 介，要真实模拟水分、肥料等环境因素对植物生长发育的影响『引，加强根系的 探究尤为必要可以认为，根系的探究将成为虚拟植物未来的重要探究方向参考文献[1 Liuyz37译.X3D规范已经被 国际标准化组织ISO审批通过1EB / 0E1. http 摘要://www. 86vr. com / news / LIST. ASP"/ id=296L 2008-10-13.【2W3C Re（摘要： ommendation , Extensible Markup Language（XML）l. OfSecondEdition）6200[EB / OL. http 摘要://www. w3c. org, 2008—10—13.【3刘运增.宇风多媒体wbe3d图形技术革命 的中心J.计算机世界,2003, (31).[4Curtis Blais, Don Brut man Doug Hormer dt al, USMC WEBB AS KD 3DTECHNOROCY FOR SCENARIO AUTHORING AND ULSUALI—XATLON 摘要：THE SAVACE PROJECT[EB / OL . http 摘要： //web. nps. navy. milPorutzmanlSavage / webBased3dTeehanology-Savage-Listee 2001. pdf,2008-10-13.[5Akira Wskita, Takamichi Hayashi, Takashi Kanai et al. Using Lattice for Webbased Medical Applications. keio University[EB/OL. http 摘要：Hwww. lattice Xvl. coin. 2008-10-13.[6BlaXXun VRMLbuowser[EB / OL. http 摘要：Hwww. blaxxun. coin, 2008-10-13.[7Shout3D[EB / OL. http 摘要：〃ww. shout3d. COB, 2008 一10一13.【8王功明，郭新字，赵春江，杨宝祝，董征杰.虚拟植物根系生长模型 分析和比较[JJ.作物探究，2006, (3).[9张金钊，张金锐，张金镭，X3D虚拟现实设计摘要：第二代立体网 络程序设计语言[M.北京摘要：电子工业出版社，2007.【10潘志庚，马小虎，石教英.虚拟现实中多细节层次模型自动生成技术 综述[J.中国图象图形学报，1998, (4)摘要：754-759.【11蒋庆全.国外VR技术发展综述[J.飞航导弹，2002, (1)27-34.。